Способ изготовления изделий из экологически безопасного строительного раствора

Изобретение относится к строительным растворам. В способе получения изделий из экологически безопасного строительного раствора, включающем получение указанного раствора смешением минерального вяжущего и содержащих тяжелые металлы и токсиканты шлаков или зол ТЭЦ или ГРЭС, или металлургических или мусоросжигательных заводов, затворением их водой и последующее твердение, проводят СВЧ-обработку полученного раствора облучением в процессе его транспортировки на фторопластовом участке трубопровода при частоте 2450 МГц с мощностью излучения 5-10 кВт при температуре 80°С или СВЧ-обработку полученного раствора облучением в формах или монолите при частоте 460 или 915, или 2450 МГц с мощностью излучения 0,7-5 кВт при 100% влажности и температуре 20°С или 80°С, а твердение проходит при 20°С и 100% влажности в течение 48 часов. Технический результат - повышение эффективности нейтрализации тяжелых металлов и диоксинов, упрощение технологии изготовления строительного раствора и снижение его стоимости. 6 табл.

 

Изобретение относится к строительным растворам (бетонам), включающим добавки шлаков и зол - содержащих тяжелые металлы и токсиканты отходов ТЭЦ, ГРЭС, металлургических и мусоросжигательных заводов.

Известны строительные растворы, содержащие добавки шлаков и зол (1), однако ввиду токсичности последних в настоящее время они применяются только для специальных целей, например для цементирования обсадных колонн нефтяных и газовых скважин.

Применение в строительных растворах добавок шлака и золы требует их обязательной нейтрализации, для чего в их состав вводят специальные добавки - нейтрализаторы, что усложняет технологию их приготовления и повышает стоимость продукции.

Известен способ обезвоживания и переработки токсичных отходов мусоросжигания (2). По этой технологии токсичные золы и шлаки на 1-ой стадии работ непосредственно на мусоросжигательном заводе подвергают специальной обработке негашеной известью, при которой осуществляется химическая нейтрализация в них тяжелых металлов. Далее этот материал на 2-ой стадии работ омоноличивается портландцементом в агломерат - искусственный капсулированный гранулят, который снижает степень выделения диоксинов, благодаря чему раствор может применяться в дорожном строительстве и благоустройстве для производства тротуарной плитки, бортового камня, малых архитектурных форм и др. изделий из бетона (2).

Недостатком данного способа является усложнение и удорожание технологии и, главное, низкая эффективность нейтрализации в шлаках и золах тяжелых металлов и диоксинов, поскольку и при смешивании зол и шлаков с негашеной известью, и при грануляции полученного продукта с введением в состав смеси цемента имеет место не химическое взаимодействие активных элементов шлака и золы с минеральным вяжущим, а их "механическое" блокирование в объеме твердеющего раствора.

Необходимо химическое связывание активных элементов этих промышленных отходов в твердые растворы минералов, образующих цементный камень.

Наиболее близким к заявленному является способ изготовления изделий из экологически безопасного строительного раствора, включающий измельчение зол и шлаков различных производств, в том числе мусоросжигательных заводов, с детоксикантами - ионитами, хелатолигандами и водопонижающей добавкой, обработку водным раствором крепителя из жидкого стекла и ортофосфорной кислоты, смешение обработанных шлаков и зол с цементом и детоксикантами, затворение водой, укладку полученного раствора в формы, выдержку в течение 2-3 часов при температуре 20-40°С и тепловлажностную обработку (3).

Недостатком способа является сложность технологии и необходимость обработки шлаков и зол специальными добавками, что повышает стоимость продукции.

Задачей изобретения является упрощение технологии и снижение стоимости строительных растворов при высокой эффективности нейтрализации тяжелых металлов и диоксинов.

Задача решается тем, что в способе получения изделий из экологически безопасного строительного раствора, включающем получение указанного раствора смешением минерального вяжущего и содержащих тяжелые металлы и токсиканты шлаков или зол ТЭЦ или ГРЭС, или металлургических или мусоросжигательных заводов, затворением их водой и последующее твердение, проводят СВЧ-обработку полученного раствора облучением в процессе его транспортировки на фторопластововм участке трубопровода при частоте 2450 МГц с мощностью излучения 5-10 кВт при температуре 80°С или СВЧ-обработку полученного раствора облучением в формах или монолите при частоте 460 или 915,или 2450 МГц с мощностью излучения 0,7-5 кВт при 100% влажности и температуре 20°С или 80°С, а твердение проходит при 20°С и 100% влажности в течение 48 часов.

Сущность предлагаемого способа получения экологически безопасных строительных растворов с добавками шлака и золы состоит в следующем. Сначала определяют содержание основных оксидосодержащих элементов шлака и золы (табл.1) и содержание в них тяжелых металлов и токсикантов (табл.2а), после чего определяют конечный фазовый состав минералов цементного камня, который должен быть получен при заданном режиме твердения, на основе того или иного вяжущего с добавками данного шлака и золы (табл.3). Затем, с учетом стехиометрии и фактического содержания элементов в исходных и конечных продуктах, определяют необходимый качественный и количественный состав строительного раствора (бетона) (табл.4), после чего готовят строительный раствор обычным способом. Отличие предложенного способа в том, что смешанные между собой и затворенные водой компоненты раствора либо подвергают СВЧ-обработке в заданном режиме на частотах 460 или 915, или 2450 МГц с мощностью излучения 0,7-5 кВт при стационарном нагреве твердеющего в формах или монолите раствора во влажной атмосфере при 100% влажности при температуре 20°С либо при температуре 80°C с последующим твердением в течение 48 часов при температуре 20°С, либо СВЧ-обработке в процессе транспортировки на фторопластовом участке трубопровода при частоте излучения 2450 МГц и мощности СВЧ-генератора 5-10 кВт при температуре 80°C с последующим формованием изделий и твердением при 20°С и влажности 100% в течение 48 часов.

Это приводит к тому, что в результате протекания химических реакций замещения ионов, атомов и комплексных соединений тяжелых металлов и токсикантов на атомы, ионы и комплексы структурообразующих минералов, формирующих цементный камень в данных условиях на их основе, возникает ряд твердых растворов замещения с Са и Ti-Ca гидросиликатами, гидроалюминатами, гидроалюмоферритами и минералами амфитоловой группы, в которых атомы тяжелых металлов и токсикантов химически "связаны" в малоактивные (с точки зрения токсичности) соединения (табл.3), являющиеся экологически безопасными по величине и ПДК (предельно допустимым концентрациям) (табл.2б).

Пример.

В работе применялись шлак и зола состава, представленного в табл.1.

Во взятых шлаке и золе были определены концентрации тяжелых металлов (табл.2а); видно, что они значительно больше, чем ПДК для этих веществ. Затем были определены основные конечные минералы цементного камня, которые должны возникнуть при СВЧ-обработке того или иного вяжущего (в данном случае портландцемента марки "400") с мелким заполнителем, например кварцевым песком, добавками данного шлака и золы (взятых в соотношениях, указанных в табл.4) с учетом стехиометрии и фактического содержания элементов в исходных и конечных продуктах (табл.3).

Следующая операция - приготовление строительного раствора в смесителе или бетономешалке обычным способом (составы растворов - табл.4), после чего приготовленный раствор подвергается СВЧ-обработке в заданном режиме с мощностью излучения 700 Вт - 5 кВт, либо при стационарном нагреве твердеющего в формах раствора (2 цикла продолжительностью 35 минут каждый в режиме: 5 минут работа - 30 минут перерыв) во влажной атмосфере при 100% влажности при температуре 80°C с последующим твердением в течение 48 часов при температуре 20°С, либо при непрерывной или импульсной обработке строительного раствора в процессе его транспортировки на фторопластовом (тефлон - 4) участке растворопровода диаметром 100 мм и длиной 9,6 м при частоте излучения 2450 МГц и мощности СВЧ-генератора 5-10 кВт при температуре 80°C с последующим твердением образцов при температуре 20°С и влажности 100% в течение 48 часов (контрольные образцы СВЧ-обработке не подвергались). Составы растворов и значения прочности, полученных на их основе образцов-цилиндров диаметром 40 мм цементного камня представлены в табл.4, значения содержания тяжелых металлов в цементном камне, шлаке и золе продуктов мусоросжигания (ТБО) до (табл.2а) и после (табл.2б) их СВЧ-обработки в составе строительного раствора состава (объемные части): цемент М-400 - 40; шлак - 20; зола - 15; песок кварцевый - 15; вода - 20.

В таблице 3 фазовый состав минералов цементного камня на основе портландцемента М-400 с добавками содержащих тяжелые металлы зол и шлаков - продуктов мусоросжигания ТБО - после их СВЧ-отверждения в течение 48 часов.

Характер изоморфных замещений в кристаллах структурообразующих минералов: твердые растворы с гидросиликатами, гидроалюминатами и гидроалюмоферритами кальция, твердые растворы с минералами амфиболовой группы, вкрапления в минералах типа базальта (локально), твердые растворы титаногидросиликатов кальция.

Таблица 1
Способ получения экологически безопасных строительных растворов
№ п/п	Показатель	Содержание (масс.%)
шлаки	золы (котельная, газоочистки)
1	Диоксид кремния, SiO2	44,00-58,90	27,00-58,00
2	Диоксид титана, TiO	0,20-0,95	0,20-1,25
3	Оксид алюминия, Al2О3	6,00-9,35	7,65-25,10
4	Оксид железа, Fe2О3	9,80-17,35	2,70-6,35
5	Оксид кальция, СаО	6,90-20,20	15,80-27,50
6	Оксид магния, MgO	0,70-3,85	0,65-4,65
7	Оксид натрия, Na2O	4,60-8,25	0,80-8,00
8	Оксид калия, К2O	1,00-1,30	1,30-7,40
9	Триоксид серы, SO3	0,50-2,80	1,80-7,90
10	Оксид фосфора, P2O5*	1,80-3,90	0,85-3,15
11	Потери при прокаливании	1,80-8,75	2,35-11,65
* возможный источник диоксинов

Таблица 2а
Способ получения экологически безопасных строительных растворов.
№ п/п	Тяжелые металлы и токсиканты	ПДК мг/кг	Шлак ТБО (исходный)	Зола ТБО (исх.)
мг/кг	Превышение ПДК в n раз	мг/кг	Превышение ПДК в n раз
1	2	3	4	5	6	7
1	Литий, Li	2,2	-	-	4,4	2,0
2	Ванадий, V	150,0	60	-	40,0	-
3	Висмут, Bi	0,3	8,0	26,7	10,0	33,3
4	Кадмий, Cd	0,5	5,0	10,0	23,0	46,0
5	Кобальт, Со	5,0	11,0	2,2	6,0	1,2
6	Никель, Ni	24,0	80,0	3,3	46,0	1,9
7	Медь, Cu	33,0	1290,0	39,1	510,0	15,5
8	Марганец, Mn	150,0	1300,0	8,7	804,0	5,4
9	Мышьяк, As	2,0	4,0	2,0	9,4	4,7
10	Олово, Sn	114,0	300,0	2,6	300,0	2,6
11	Ртуть, Hg	2,1	0,3	-	0,01	-
12	Свинец, Pb	32,0	1100,0	34,4	540,7	17,0
13	Фтор, F	2,8	387,6	138,4	355,4	126,9
14	Хром, Cr	6,0	150,0	25,0	103,0	17,2
15	Цинк, Zn	100,0	4230,0	42,3	3873,0	38,7
16	Хлор, Cl	-	-

Таблица 2б
Способ получения экологически безопасных строительных растворов.
№ п/п	Тяжелые металлы и токсиканты	ПДК мг/кг	Содержание тяжелых металлов в цементном камне через 2 суток после его СВЧ-отверждения и выдержки в течение 48 часов	Содержание тяжелых металлов в цементном камне аналогичного состава без СВЧ-отверждения через 48 часов (твердение при 80°С)	Содержание тяжелых металлов в цементном камне того же состава без СВЧ-отверждения через 48 часов (твердение при 80°С)
мг/кг	% от ПДК	мг/кг тв.ф. добавок шлак + зола	Превышение ПДК в n раз	мг/кг цем. камня	Превышение ПДК в n раз
1	2	3	8	9	10	11	12	13
1	Литий, Li	2,2	0,7	31,8	4,0	1,8	1,3	0,5
2	Ванадий, V	150,0	76,5	51,0	96	-	28,8	-
3	Висмут, Bi	0,3	0,25	83,3	16,5	55,0	4,9	16,5
4	Кадмий, Cd	0,5	0,40	80,0	26,0	52,0	7,8	15,6
5	Кобальт, Со	5,0	3,7	74,0	15,0	3,0	5,0	1,0
6	Никель, Ni	24,0	21,7	90,4	115,0	4,8	38,36	1,6
7	Медь, Cu	33,0	113,0	342,4	1650,0	50,0	550,0	16,6
8	Марганец, Mn	150,0	140,5	93,6	1910	12,7	636,0	4,2
9	Мышьяк, As	2,0	13,4	80,0	12,8	6,4	4,3	2,1
10	Олово, Sn	114,0	97,0	85,1	560,0	4,9	186,7	1,6
11	Ртуть, Hg	2,1	0,30	14,3	0,3	-	0,1	-
12	Свинец, Pb	32,0	27,5	85,9	1480,7	46,3	493,6	15,4
13	Фтор, F	2,8	1,7	60,7	528,0	188,6	176,0	62,7
14	Хром, Cr	6,0	4,8	80,0	171,0	28,5	57,0	9,5
15	Цинк, Zn	100,0	97,7	97,7	7450,0	74,5	2483,0	24,8
16	Хлор, Cl	-			-	-	-	-

Таблица 3а
Способ получения экологически безопасных строительных растворов.
а) Безводные соединения
1	2	3	4	5
№ п/п	Тяжелые металлы и токсиканты	Основной тип включающих минералов-матриц	Структурная формула	Минералы
1.	CrVI→CrIII	Гранаты, гидрогранаты,	Са3Cr2[SiO4]3	Уваровит
2.	Cr, Mn	пироксены	LiAl[Si2O6]Cr, Mn	Сподумен
3.	V, Pb	Комплексные соединения	Pb5(VO4)·Cl	Ванадинит
	As		Pb5(PO4)3·Cl	Пироморфит
	Bi, Cu, Pb		Pb5(AsO4)3·Cl	Миметизит
	Co, As, S,		CuPbBiS3	Айкинит
	Fe, Ni		CoAsS	Кобальтин
4.	Cr, Mn, F	Амфиболы	60(Ca, Ba, Sr)3·(Р3Э)7·(O, OH)2·[SiO4]5·(PO4)·F, Cl·СО3·(Cr, U)	Апатит
5.	Zn	Базальты	-	-
6.	F, Ni, Sr, Nb	Титаносиликаты	(Ca, Na, Sr)3·(Ti, Ni, Nb, Zr, Fe)·[Si2O7]·[O, OH, F]2	Са-ринкит

Таблица 3б
Способ получения экологически безопасных строительных растворов. б) кристаллогидраты
№ п/п	Тяжелые металлы и токсиканты	Структурная формула	Минерал
7.	V	(Cu, Ca, Ва)3[VO4]2Cu, Ca[OH]	Са-фольбортит
		СаО·V2O32-4Н2O	россит
8.	Bi, V	Bi2O3·CO2·(1-3)Н2O	бисмутит
		Bi2O3·2VO2·3H2O	ураносферит
9ю	Cd	CdCO3	оттавит
	Co, Cu, Mn,	2CuО·0,5Со2O3·Mn2O3·4Н2O	любецкит
10.	As	СоСо3	сферокобальтит
		(Ca, Co, Mg)3·As2O8·2H2O	розелит
	Ni, As	(Ni, Mg, Ca)[AsO4]2·8H2O	кабрерит
11.		2NiO·2MgO·3SiO2·6H2O	гентит
		(Mg, Ni, Fe)O·2Al2O3·3SiO2·4H2O	мауфит
	Mn, As, Zn, P	6MnO·2Mn(OH, Cl)2·6SiO2·3H2O	фриделит
		2СаО·Al2O3·Mn2O3·4SiO2	тинценит
		5MnO·2Al2O3·5SiO2·3Н2O	сюрсассит
12.		H2(Mn, Ca)6·Si6O19·3H2O	инезит
		7MnO·Al2O3·8SiO2·6H2O	ганофиллит
		21(Mn, Mg, Zn)O·3SiO2-1,5As2O3·10H2O	макговернит
		9MnSiO2·Mn3·As2O8·7H2O	шаллерит
		6MnO·Mn2[(OH)2·As2O3]·6SiO2·3H2O
		Ca2·Mn·As2O8·2H2O	брандтит
		(Mn, Fe, Ca)2·Al(OH)(PO4)2·H2O	рошерит
13.	Sn	Н4·Са·Sn·Si3О11	стокезит
	Pb, Mn	4(Mg, Pb)O·4(Mg, Pb)(OH)2·4SiO2·H2O	молибдофиллит
14.		2(Mn, Pb)O·3(Fe2O3, MnTiO3)	магнитоплюмбит
		PbO·CuO·Fe2O3·2SO3·4Н2O	биверит
15.	Cr	(Cr, Fe, Al)4[Si4O10](OH)8·2H2O	волконскоит
		(Mg, Fe)5·(Al, Cr)[AlSi3O10](OH)8	кеммерерит
	Zn, Mn, Cu,	8ZnO·2Al2O3·5SiO2·11H2O	фрепонтит
	As, (PO4)	Zn2Mn[SiO4]·[OH]2	ходкинсонит
16.		Zn3[Si4O10][OH]2·nH2O	соконит
		5(Ca, Cu, Zn)O·AsO5·2H2O	сташицит
		3ZnO·CuO·3As2O5·2H2O	бартит
		(Cu, Zn)3·(PO4)2·3(Cu, Zn)(OH)2·3H2O	кипушит

Таблица 4
Способ получения экологически безопасных строительных растворов.
№ п/п	Состав строительного раствора	№№ образцов и режим отверждения	Прочность на сжатие, кг	Прочность на сжатие, МПа
1.	Раствор №1:	обр. 1.1. - с СВЧ-обработкой
	цемент М-400 - 40 объемных		4350	12,2
	частей
	зола - 15 объемных частей
	шлак - 20 объемных частей
	песок -15 объемных частей	обр. 2.1. - без СВЧ-обработки	3420	9,6
	вода - 20 объемных частей
2.	Раствор №2:	обр. 1.2. - с СВЧ-обработкой
	цемент М-400 - 40 объемных		3725	10,4
	частей
	зола - 15 объемных частей
	шлак - 20 объемных частей
	песок - 15 объемных частей	обр.2.2. - без СВЧ-обработки	3550	9,9
	вода - 20 объемных частей
	клей ПВА - 4 объемные части
3.	Раствор №3:
	цемент М-400 - 40 объемных частей	обр. 3.2. - с СВЧ-обработкой	4010	11,2
	песок - 50 объемных частей
	вода - 20 объемных частей	обр. 3.1. - без СВЧ-обработки	3370	9,4
4.	цемент М-400 - 40 объемных частей	обр.4.1. - с СВЧ-обработкой	4005	11,2
	зола -15 объемных частей
	шлак - 20 объемных частей
	вода - 20 объемных частей	обр. 4.2. - без СВЧ-обработки	3350	9,3

Способ получения изделий из экологически безопасного строительного раствора, включающий получение указанного раствора смешением минерального вяжущего и содержащих тяжелые металлы и токсиканты шлаков или зол ТЭЦ, или ГРЭС, или металлургических или мусоросжигательных заводов, затворением их водой и последующее твердение, отличающийся тем, что проводят СВЧ-обработку полученного раствора облучением в процессе его транспортировки на фторопластовом участке трубопровода при частоте 2450 МГц с мощностью излучения 5-10 кВт при температуре 80°С или СВЧ-обработку полученного раствора облучением в формах или монолите при частоте 460, или 915, или 2450 МГц с мощностью излучения 0,7-5 кВт при 100% влажности и температуре 20 или 80°С, а твердение проходит при 20°С и 100% влажности в течение 48 ч.